電子信息材料

1、半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望智能1601 41623405 呂懿前言：半導(dǎo)體材料（semiconductor material）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1m·cm1G·cm范圍內(nèi)）、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎(chǔ)材料，支撐著通信、計(jì)算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。半導(dǎo)體材料及應(yīng)用已成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國防實(shí)力的重要標(biāo)志。一、 第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用半導(dǎo)體材料的發(fā)展可以劃分為三個(gè)時(shí)代。第1代半導(dǎo)體材料以硅(Si)和鍺(Ge)等元

2、素半導(dǎo)體材料為代表，奠定了微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。其典型應(yīng)用是集成電路(Integrated Circuit,IC)，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測器，在未來一段時(shí)間，硅材料的主導(dǎo)地位仍將存在。但硅材料的物理性質(zhì)限制了其在高壓和高頻電子器件上的應(yīng)用。第2代半導(dǎo)體材料以GaAs和磷化錮(InP)為代表，奠定了信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。GaAs材料的電子遷移率是Si的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對Si器件具有高頻、高速的性能，被公認(rèn)為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。同時(shí)，其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛且不可替代。然而，由于禁帶寬度范圍不夠大、擊穿電場較低，限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，G

3、aAs材料具有毒性，對環(huán)境和人類健康存在威脅。第3代半導(dǎo)體材料是指帶隙寬度明顯大于Si(1.1eV)和GaAs(1.4eV)的寬禁帶半導(dǎo)體材料(2.0-6.0eV)，包括III族氮化物如氮化稼(GaN)、氮化鋁(A1N)等，碳化硅(SiC)，寬禁帶氧化物(如氧化鋅(ZnO)、氧化稼(Ga2O3)、鈣欽礦(CaTiO3)等)及金剛石薄膜等寬禁帶半導(dǎo)體材料。與第1代、第2代半導(dǎo)體材料相比，第3代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì)，第3代半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且在高電壓、高頻率狀態(tài)下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的

4、運(yùn)行能力。第3代半導(dǎo)體材料主要有3大應(yīng)用領(lǐng)域:電力電子、微波射頻和光電子。產(chǎn)業(yè)鏈主要包括材料、器件和應(yīng)用環(huán)節(jié)，具體如圖1所示。它具備禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，是固態(tài)光源、下一代射頻和電力電子器件的“核心”，在半導(dǎo)體照明、消費(fèi)類電子、5G移動(dòng)通信、新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸，與第1代、第2代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)發(fā)揮重要作用，正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。我國在半導(dǎo)體照明方面已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈和一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，成為全球發(fā)展最快的區(qū)域，為第3代半

5、導(dǎo)體在其他領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。但我國在電力電子、通訊等領(lǐng)域的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化與國外差距較大，需要加大研發(fā)投人，建立體制機(jī)制創(chuàng)新的研發(fā)創(chuàng)新和科技服務(wù)平臺，構(gòu)建立足地方、帶動(dòng)全國、引領(lǐng)世界的跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨區(qū)域的第3代半導(dǎo)體創(chuàng)新價(jià)值鏈，重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。圖1 第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)二、 半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀國際上第3代半導(dǎo)體材料已經(jīng)取得了原理性的科學(xué)突破，即將進(jìn)人顛覆性技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的階段。第3代半導(dǎo)體材料科學(xué)的基礎(chǔ)性研究和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)在美國、日本、歐盟3大區(qū)域初步發(fā)展成熟。第3代半導(dǎo)體科技的發(fā)展，不僅表現(xiàn)在襯底及外延材料尺寸不斷由小直徑向大直徑發(fā)展，也體現(xiàn)在材料質(zhì)量與器件性能的

6、不斷飛躍。與此同時(shí)成本和價(jià)格不斷下降，推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級發(fā)展。我國開展第3代半導(dǎo)體的研究工作雖然起步比發(fā)達(dá)國家稍晚，但在國家科技計(jì)劃項(xiàng)目多年連續(xù)支持下，在技術(shù)和人才方面形成了良好的積累和基礎(chǔ)，并在國防、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域已開始相關(guān)器件的應(yīng)用。依托我國巨大的潛在應(yīng)用市場，通過需求牽引，有望帶領(lǐng)我國第3代半導(dǎo)體在新時(shí)期實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，搶占第3代半導(dǎo)體戰(zhàn)略制高點(diǎn)。在微波射頻領(lǐng)域，GaN器件在民用市場和軍用市場都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在民用市場，GaN射頻器件在5G通信領(lǐng)域需求顯著。5G通信的數(shù)據(jù)流量需求將是現(xiàn)有技術(shù)流量的1000倍以上，屆時(shí)對GaN射頻器件的使用量將為現(xiàn)有GaAs器件的100倍以上。日

7、本松下公司已推出業(yè)界最小的增強(qiáng)型600V一GaN功率晶體管。在軍用市場，GaN射頻器件需求快速增長，僅戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)對GaN射頻功率模塊的需求就將達(dá)到7 500萬只。目前，美國海軍新一代干擾機(jī)吊艙及空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)(AMDR)已采用GaN射頻功放器件替代GaAs器件。據(jù)Yole預(yù)測，2020年末，GaN射頻器件市場規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2倍，達(dá)到7.5億美元，年均復(fù)合增長率20% 。我國4G和5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對GaN射頻器件需求同樣巨大。CSA Research預(yù)測，到2020年，我國GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)的將達(dá)到104億元，較現(xiàn)有市場規(guī)模翻2番(詳見圖2)。僅在移動(dòng)通訊基站應(yīng)用領(lǐng)域，我國的GaN射頻器件的

8、市場規(guī)模約為30億元，將帶動(dòng)射頻功率模塊產(chǎn)值超60億元，進(jìn)而帶動(dòng)4G及5G移動(dòng)通信基站終端設(shè)備市場規(guī)模達(dá)約800億元。圖2 2020年我國第3代半導(dǎo)體微波射頻市場規(guī)模預(yù)測在光電子領(lǐng)域，從全球范圍看，目前基于第3代半導(dǎo)體技術(shù)的半導(dǎo)體照明替代傳統(tǒng)光源已出現(xiàn)井噴式增長，美國、歐洲等國家在光品質(zhì)及智能化等方面正加速發(fā)展。半導(dǎo)體照明已經(jīng)在景觀照明、液晶背光、大型顯示屏等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在汽車照明、大尺寸液晶背光領(lǐng)域的應(yīng)用也進(jìn)人規(guī)?；A段。半導(dǎo)體照明在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)全面啟動(dòng)，正成為其最大的應(yīng)用市場。我國第3代半導(dǎo)體材料成功產(chǎn)業(yè)化的第一個(gè)突破口便是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)。我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)形

9、成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長(詳見圖3)，芯片從無到有，創(chuàng)新應(yīng)用走在世界前列，成為全球發(fā)展最快的區(qū)域，為實(shí)現(xiàn)我國第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)?？傮w來說，我國半導(dǎo)體照明技術(shù)與應(yīng)用接近國際先進(jìn)水平，自主知識產(chǎn)權(quán)的Si襯底LED、可見光定位等創(chuàng)新應(yīng)用處于國際領(lǐng)先水平；在第3代半導(dǎo)體電子器件應(yīng)用方面，日、美、歐在地鐵機(jī)車、新能源汽車、白色家電、光伏逆變器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，而我國只在光伏逆變器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。圖3 2015年我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)規(guī)模及增長率三、 未來展望面向全球性節(jié)能減排需求，發(fā)展基于第3代半導(dǎo)體材料的高效電能轉(zhuǎn)換技術(shù)刻不容緩。國際上照明耗能約占總電功率的

10、20%，目前我國大陸地區(qū)占總電功率的12%-13%，預(yù)計(jì)到2020年將占19%。LED照明能效有望提高50%-70%，節(jié)能效果極其可觀。另外80%以上的用電能耗在白色家電、電子信息設(shè)備、可再生能源并網(wǎng)、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、軌道交通等眾多領(lǐng)域中，節(jié)能潛力巨大。第3代半導(dǎo)體的應(yīng)用將掀起綠色能源消費(fèi)的巨大變革。移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)的信息化社會對第3代半導(dǎo)體材料提出了迫切需求。“互聯(lián)網(wǎng)+”作為一種新的經(jīng)濟(jì)形態(tài)，將與社會經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域深度融合，并將成為提升實(shí)體經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新力和生產(chǎn)力的技術(shù)基礎(chǔ)，而基于互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)通訊產(chǎn)業(yè)、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)必將迅猛發(fā)展，支撐大量移動(dòng)終端、海量數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的材料需求非常迫切。第3代半導(dǎo)體材

11、料由于工作頻率高、功率大、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠制造高效節(jié)能，小型化、輕量化、低成本的器件，將成為發(fā)展新一代移動(dòng)通訊的重要選擇。空天、國防技術(shù)和現(xiàn)代大型牽引電力等設(shè)備的重大需求。航空、航天和國防應(yīng)用都有嚴(yán)格的體積、質(zhì)量和尺寸限制。GaN材料的功率密度是現(xiàn)有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，正在并將更廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗、智能化系統(tǒng)及火控裝備等空天和國防領(lǐng)域。結(jié)語：寬禁帶半導(dǎo)體材料作為一類新型材料，具有獨(dú)特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優(yōu)異的性能，在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。它能夠提高功率器件工作溫度極限，使其在更惡劣的環(huán)境下工作；能夠提高器件的功率和效率，提高裝備性能；能夠拓寬發(fā)光光譜，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。隨著寬禁帶技術(shù)的進(jìn)步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟，其重要性將逐漸顯現(xiàn)，在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮?、第二代半?dǎo)體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。參考文獻(xiàn)：1、 半導(dǎo)體材料-維基百科2、 王龍興.中國半導(dǎo)體材料業(yè)的狀況分析.上海市集成電路行業(yè)協(xié)會，20123、 郝建群等.第3代半導(dǎo)